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放疗作为治疗肿瘤最主要的方法之一,目前已能实现精准定位的高剂量辐射传送,但是放疗后的肿瘤患者仍有很大概率复发。肿瘤细胞自身产生的放射抵抗性是导致放疗失败的主要原因,因此,如何提高肿瘤细胞的放射敏感性成为当下的研究热点。小类泛素修饰因子(small ubiquitin-like modifier,SUMO)特异性蛋白酶(SUMO specific proteases,SENPs)的本质是肽酶,能水解SUMO羧基端甘氨酸残基与靶蛋白赖氨酸残基之间形成的异肽键,还具有加工SUMO前体蛋白的功能。近年来,关于SENPs参与调控肿瘤放射敏感性的研究越来越多,我们总结了SENPs调控肿瘤放射敏感性的机制及其抑制剂的研究进展,旨在为后续开发SENPs抑制剂作为放射增敏药物奠定理论基础。
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综上所述,SENPs作为放射增敏的新靶点,其抑制剂经过改良和优化后可作为新型放射增敏药物。目前SENPs抑制剂,尤其是SENP1抑制剂,已经有一部分正处于临床研究阶段。根据结构特征和发现来源可以把SENP的抑制剂分为如下几类:短发卡RNA(short hairpin RNA,shRNA)类、肽类和拟肽类、合成小分子类、虚拟筛选类及天然产物来源类。
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shRNA中含有两个短反向重复序列,通过中间茎环序列分隔,组成发卡结构。王立生等[34]设计并制备了靶向SENP1 mRNA的shRNA,该shRNA(5′-CCGGGCGCCAGAUUGAAGAACAGAACUCGAGUUCUGUUCUUCAAUCUGGCGCUUUUU-3′)能够从转录水平上抑制SENP1的表达。
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对SUMO结构进行模拟构建得到的拟肽分子能与SUMO竞争性地结合SENPs,这种肽类和拟肽类抑制剂是研究最早的抑制剂类型。Hemelaar等[35]将乙烯基砜引入SUMO1蛋白的羧基末端,得到修饰后的SUMO1蛋白(表1中序号1),SENP2(靶点为cSENP2)催化中心的半胱氨酸的巯基可与其发生迈克尔加成反应,实现不可逆的抑制效果。Dobrotă等[36]合成了靶向SENP1(靶点为rSENP1)和SENP2(靶点为rSENP2)肽基活性位点的探针(表1中序号2),该化合物的7残基肽段结构[F(A)QQQTGG]能被SENP1和SENP2识别。
序号 结构式 靶点 IC50(μmoL) 研究者 1 cSENP2 − Hemelaar等[35] 2 rSENP1 − Dobrotă等[36] rSENP2 − 3 PfSENP1 17.9 Ponder等[37] rhSENP1 9.0 rhSENP2 4.7 4 PfSENP1 16.2 Ponder等[37] rhSENP1 7.1 rhSENP2 3.7 5 rhSENP1 3.6 Albrow等[38] rhSENP2 0.25 rhSENP6 >60 rhSENP7 >100 6 rhSENP6 4.2 Albrow等[38] rhSENP7 4.3 7 SENP1 15.5 Qiao等[39] 8 SENP1 9.2 Qiao等[39] 9 cSENP1 >100 Uno等[40] 10 cSENP1 39.5 Uno等[40] 11 cSENP1 29.6 Uno等[40] 12 rSENP1 2.39 Chen等[41] 13 rSENP1 1.18 Chen等[41] 14 rSENP1 1.08 Chen等[41] 15 SENP1 15.0 Zhao等[42] 16 SENP1 17.6 Zhao等[42] 17 SENP1 4.9 Zhao等[42] 18 SENP1 3.5 Zhao等[42] 19 SENP1 2.1 Madu等[43] SENP2 2.0 SENP7 2.7 20 cSENP1 4.4 Kumar等[44] cSENP2 4.5 21 cSENP1 4.7 Kumar等[44] cSENP2 5.0 22 cSENP1 4.5 Kumar等[44] cSENP2 4.0 23 SENP1 1.29 Wen等[45] 24 cSENP1 0.52 Ambaye等[46] cSENP2 6.92 cSENP6 5.21 25 cSENP1 1.89 Yoshioka等[47] 26 rhSENP1 1.64 Yoshioka等[47] cSENP1 1.52 rhSENP1 2.48 27 SENP1 − Huang等[48] 28 cSENP1 15.37 Wu等[49] 注:表中,SENPs: 小类泛素修饰因子特异性蛋白酶;cSENP:人SENP催化结构域;PfSENP:恶性疟原虫SENP;rhSENP:重组人SENP;rSENP:重组SENP;IC50:半抑制浓度 Table 1. Inhibitors of small ubiquitin-like modifier specific proteases inhibitors
Ponder等[37]以恶性疟原虫SENP1为靶点对半胱氨酸蛋白酶抑制剂库进行筛选,结果发现,一类含有环氧基团的小分子拟肽化合物JCP-666(表1中序号3)有着较好的抑制效果(半抑制浓度IC50=17.9 μmoL),但稳定性较差;去除化合物JCP-666结构中天冬氨酸残基侧链的羧基基团后得到化合物VEA-260(表1中序号4),该化合物的稳定性显著提高,并且保留了原有的抑制活性(IC50=16.2 μmoL);进一步研究结果表明,两种化合物对重组人SENP1(rhSENP1)和SENP2(rhSENP2)表现出优异的抑制活性,JCP-666对人SENP1和SENP2的IC50分别为9.0 μmoL和4.7 μmoL,VEA-260对人SENP1和SENP2的IC50则分别为7.1 μmoL和3.7 μmoL。Albrow等[38]在VEA-260的基础上继续进行改造,得到芳酰氧基甲酮类化合物VEA-499(表1中序号5),其对人SENP1和SENP2的IC50则分别为3.6 μmoL和0.25 μmoL,这与其对SENP6(IC50>60 μmoL)和SENP7(IC50>100 μmoL)的抑制效果相比有着较高的选择性,该类化合物作为活性位点探针在复杂的蛋白质组中表现出高度特异性。化合物6(表1中序号6)含有泛素序列,对人SENP6和SENP7表现出了明显的抑制活性,IC50分别为4.2 μmoL和4.3 μmoL[38]。
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虽然肽类和拟肽类表现出较好的抑制活性,但是该类化合物往往药代动力学性质较差,因此研究更具有成药性的小分子抑制剂是另一个研发方向。Qiao等[39]设计并合成了一系列苯并二氮杂卓类SENP1抑制剂,其中化合物7(表1中序号7)和8(表1中序号8)抑制SENP1的IC50分别为15.5 μmoL和9.2 μmoL,抑制前列腺癌细胞PC3生长的IC50分别为13.0 μmoL和35.7 μmoL,构效关系研究结果表明,苯甲酰基侧链的取代基种类和位置对化合物的活性影响很大,C(3′)位引入苄氧基甲酰胺基(-NHCbz)时活性最佳,如果转移到C(4′)位或者替换成叔丁氧基甲酰胺基(-NHBoc)和乙酰氨基(-NHAc)时,化合物活性显著降低;进一步研究结果表明,4位的甲酰基对化合物活性同样显著,分子对接实验结果表明,4位甲酰基能够与SENP1催化中心的Cys603残基发生共价结合,这可能是该类化合物产生SENP1抑制活性的原因。Uno等[40]合成的二苯基脲类化合物GN6767(表1中序号9)能够有效降低HIF1α的转录活性,经生物素标记后发现,该化合物的作用靶点为SENP1(cSENP1),其IC50>100 μmoL。在化合物GN6767的基础上小幅度修改后得到化合物GN6860(表1中序号10)和GN6958(表1中序号11),两者均展现出较好的SENP1(cSENP1)抑制活性,其IC50分别为39.5 μmoL和29.6 μmoL。
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近年来,计算机虚拟筛选在小分子抑制剂的鉴定和优化中发挥了越来越重要的作用。Chen等[41]将来自SPECS化合物文库的18万种化合物与SENP1-SUMO2-RanGAP1晶体结构中的SENP1进行分子对接,发现苯甲酰氨基苯钾酸酯类化合物12(表1中序号12)的抑制活性最佳,IC50为2.39 μmoL,对该化合物进行结构修饰得到化合物13和14(表1中序号13和14),其IC50分别为1.18 μmoL和1.08 μmoL。分子对接结果表明,该类化合物的酰胺氮原子和4-氯苯甲酰甲氧基上的羰基氧原子分别与SENP1催化中心的His529和Gln597残基形成氢键,使化合物分子能够稳定占据SENP1的催化位点。Zhao等[42]采用类似的方法将SPECS化合物文库中的化合物与SENP1-preSUMO2晶体结构中的SENP1进行虚拟筛选,结果发现11个化合物的IC50<50 μmoL,其中的化合物15(表1中序号15)的IC50为15.0 μmoL,化合物16(表1中序号16)的IC50为17.6 μmoL,选取它们作为先导化合物进行改造,得到化合物17和18(表1中序号17、18),对SENP1的IC50分别为4.9 μmoL和3.5 μmoL,分子对接结果表明,SENP1疏水腔中的His529、Val532、Leu466和Gln597残基参与相关氢键的形成。
Madu等[43]使用GLIDE程序对25万种化合物进行虚拟筛选,得到了40种对SENP1、SENP2和SENP7表现出抑制活性的候选化合物,并提出了基于磺酰苯基的新型SENPs抑制剂,其中化合物19(表1中序号19)的抑制效果最优,对SENP1、SENP2和SENP7的IC50分别为2.1、 2.0、 2.7 μmoL,进一步的核磁共振和定量酶动力学实验结果证实了这些化合物的抑制作用属于可逆的非竞争性抑制。
Kumar等[44]采用分层虚拟筛选和基于定量荧光共振能量转移技术相结合的方法发现了新型1,2,5-恶二唑类SENP1/2抑制剂,即化合物20、21和22(表1中序号20、21、22),其抑制SENP1的IC50分别为4.4、4.7、4.5 μmoL,同时对SENP2也表现出抑制活性。Wen等[45]采用虚拟筛选的方法从化合物文库中筛选得到117个含有不同骨架类型的小分子化合物,其中化合物23(表1中序号23)表现出对SENP1显著的抑制活性,其IC50为1.29 μmoL,分子对接实验结果表明,化合物23占据了SUMO蛋白羧基端二甘氨酸序列在SENP1催化区域的位置,丙烯酸酯部分的羰基氧原子能够与SENP1催化中心的His529形成关键氢键,其芳香环能够与疏水腔的多个氨基酸残基形成π-π相互作用,对化合物与SENP1的结合起到稳定作用。
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Ambaye等[46]通过二维核磁共振和分子对接等方法发现链黑菌素(表1中序号24)能够结合并抑制SENP1的活性,而且对SENP1的抑制选择性(IC50=0.52 μmoL)明显高于SENP2(IC50=6.92 μmoL)和SENP6(IC50=5.21 μmoL)。进一步的研究结果表明,链黑菌素能显著降低HIF1α蛋白水平,这说明SENP1在HIF1α相关通路中起到非常重要的作用。Vialinin A(表1中序号25)及其类似物Thelephantin G(表1中序号26)是两种提取自可食用菌的对三联苯多酚化合物,Yoshioka等[47]分别用人SENP1催化结构域(cSENP1)和rhSENP1对Vialinin A和Thelephantin G进行活性测试,结果发现,Vialinin A对cSENP1和rhSENP1的IC50分别为1.89 μmoL和1.64 μmoL,Thelephantin G对cSENP1和rhSENP1的IC50分别为1.52 μmoL和2.48 μmoL。进一步研究结果表明,去掉结构中的苯甲(乙)酸酯或者将酚羟基氧化成醌后,化合物的活性均明显下降。Huang等[48]报道了天然产物雷公藤内酯(表1中序号27)能在mRNA和蛋白质水平上降低SENP1表达。此外,Wu等[49]确认地肤子皂苷Ic(表1中序号28)能直接与SENP1作用,对cSENP1的IC50为15.37 μmoL,且能使前列腺癌PC3细胞发生G2/M期阻滞,同时诱导其凋亡。